遙控避障無人艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1 緒論 51.1 課題研究的目的和意義 51.2 國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 51.3 本設(shè)計的總體要求 62 系統(tǒng)總體方案的選定 62.1 多種艇型的優(yōu)劣性討論與方案選擇 62.2 控制系統(tǒng)的方案選擇 133 遙控避障無人艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型制作 143.1 船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 143.2 動力系統(tǒng)的設(shè)計選配 154 無人艇控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 164.1 主控芯片 164.2 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 194.3 電源模塊 204.4 電機驅(qū)動模塊 214.5 藍牙控制模塊 235 無人艇控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 255.1 程序流程 255.2 編程語言的選擇 265.3 程序開發(fā)環(huán)境的介紹 266 調(diào)試與試驗 276.1 控制系統(tǒng)調(diào)試 276.2 動力系統(tǒng)調(diào)試與艇體封裝 276.3 下水航行測試 28參考文獻 31緒論課題研究的目的和意義近年來，在發(fā)達國家大力推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)型改造升級、中國推動中國智能制造2025、工業(yè)4.0的大經(jīng)濟戰(zhàn)略政策背景下，無線電自動遠程控制耕地系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷取得新的飛速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種新型工業(yè)無線耕地遙控、農(nóng)業(yè)無線耕地遙控噴藥、無線遙控電源開關(guān)等工業(yè)遙控制和智能小車等領(lǐng)域。隨著海洋戰(zhàn)略地位的不斷提高，各種無人運載航行器成為水面裝備領(lǐng)域發(fā)展的重點，其中包括無人水面航行器、無人水下航行器、水下機器人等。不久的將來，無人運載海洋航行器將會在海洋資源開發(fā)及保護過程中發(fā)揮更重要的作用。無人艇技術(shù)涉及到通信、導(dǎo)航、控制、傳感器等多個方面，運動控制是無人艇實現(xiàn)其它應(yīng)用的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)無人艇應(yīng)用的關(guān)鍵也是無人艇技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向。運動控制主要包含遠程遙控、點跡巡航、自主避障、航跡規(guī)劃等。水面無人艇整體驅(qū)動及動力控制結(jié)構(gòu)多種多樣，如：三葉單槳單舵、雙螺旋槳、雙葉葉槳和附加舵、矢量動力泵以及噴射和推進等驅(qū)動方式。因此，設(shè)計一種能夠適應(yīng)復(fù)雜水面環(huán)境的無人艇運動控制系統(tǒng)是無人艇技術(shù)研究的重要內(nèi)容。國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r隨著無人艇在民用和軍用工業(yè)領(lǐng)域的各方面已經(jīng)開始發(fā)揮著越來越重要的技術(shù)主導(dǎo)作用,世界上許多發(fā)達工業(yè)國家紛紛積極展開對無人艇設(shè)計建造研制技術(shù)的國際深入應(yīng)用研究,其中美國和以色列號的研究工作經(jīng)驗最為豐富，技術(shù)相對較為世界領(lǐng)先,部分已經(jīng)成功研制成熟的無人艇已經(jīng)成功研制交付中國海軍部隊部隊使用,例如:美國的"斯巴達偵察兵"號、"攔截者"號、"海上獵人"號,以色列的"保護者"號、"海上騎士"號等等均為大型水面無人艇等。國內(nèi)無人艇技術(shù)研究起步較晚，技術(shù)還不夠成熟，與國外存在一定差距。隨著政府和科研院所對此領(lǐng)域的關(guān)注度不斷提升，國內(nèi)無人艇研制正在奮力追趕發(fā)達國家，近年來相關(guān)科研院所、國內(nèi)無人艇公司都分別取得了一定的成果。其中代表性的有上海大學(xué)研制的精海系列無人艇，哈爾濱工程大學(xué)的"天行一號"無人艇，上海海事大學(xué)的"海騰01號"高速智能無人艇等。本設(shè)計的總體要求本設(shè)計將提出一種操作方便，控制靈活，智能程度高的小型遙控?zé)o人艇遙控系統(tǒng)。其中中央處理器控制系統(tǒng)單片機系統(tǒng)，控制外圍設(shè)備并以協(xié)調(diào)系統(tǒng)正常運行；動力驅(qū)動系統(tǒng)螺旋槳采用齒輪系統(tǒng)驅(qū)動動力電機系統(tǒng)采用直流電和高壓伺服電機驅(qū)動動力電機;控制開關(guān)系統(tǒng)采用紅外線和激光速度傳感器控制系統(tǒng)并可作為船內(nèi)對有障礙物物體運動速度探測器的控制系統(tǒng)開關(guān)；船模船載動力電池供電控制系統(tǒng)主要采用蓄電池。遙控器硬件設(shè)計主要采用51單片機。系統(tǒng)總體方案的選定多種艇型的優(yōu)劣性討論與方案選擇無人艇的艇型選擇是整個無人艇系統(tǒng)設(shè)計過程中的一個重要部分，根據(jù)無人艇的驅(qū)動動力類型、控制結(jié)構(gòu)類型、應(yīng)用場景需求、載荷與體積大小的不同，其艇型有多種多樣的選擇。動力類型的選定基于動力類型的分類可總體上分為風(fēng)動艇和漿動艇?？諝鈩恿ΥЬC合運用水動力學(xué)和空氣動力學(xué)的原理，利用空氣螺旋槳推進，沒有吃水限制。漿動艇則為常規(guī)水下螺旋槳驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，制作成本低。由于空氣動力艇涉及到空氣動力學(xué)等多個陌生學(xué)科領(lǐng)域的知識，本設(shè)計在動力類型上選擇更常見的水下螺旋槳驅(qū)動。艇型結(jié)構(gòu)的選定艇型結(jié)構(gòu)的選擇一般是根據(jù)無人艇的具體功能和航行環(huán)境而定的，對于本設(shè)計而言，由于此無人艇是最大程度上的輕量化、小型化設(shè)計，這樣不可避免的造成其耐波型和穩(wěn)定性較差，所以，使無人艇航行狀態(tài)穩(wěn)定、船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固是選擇艇型的首要目標(biāo)。另外，考慮到本設(shè)計成果的應(yīng)用場景主要是內(nèi)陸河或人工湖，相比有航海需求的無人艇，本設(shè)計的應(yīng)用和試驗場地風(fēng)浪較小，且無需考慮海水侵蝕，所以在艇型選擇和材料選擇上有著一定的空間。目前主流船艇、無人艇艇型可按其主體數(shù)量分為以下五類：窄體單體型驅(qū)動方式多為單漿單舵，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，內(nèi)部空間充足，集成度高，辨識度好。缺點是穩(wěn)定性差，耐波型不足，容易側(cè)翻，對船體的內(nèi)部重心和浮心的要求較高，對航行的姿態(tài)控制要求較高。寬體單體型驅(qū)動方式多為雙槳雙舵，優(yōu)缺點與窄體型類似，但其航行阻力相較窄體單體型顯著增大，且重量變大，靈活性不足。雙體型驅(qū)動方式為雙槳雙舵或雙槳無舵，優(yōu)點是兩槳間距更大，雙槳產(chǎn)生激波之間的相互干擾較弱，航行相對穩(wěn)定，重量分布均勻，航行阻力較小，方向控制靈活。缺點是其內(nèi)部空間狹窄，不適合單主控芯片的控制系統(tǒng)的放置，且制作較為復(fù)雜，防水處理要求過高。三體型是目前競速船模的主流構(gòu)型，由于外形酷似龍蝦，又被稱之為“蝦艇”，其在窄體單體型的基礎(chǔ)上向兩邊拓展了兩個側(cè)體用來維持航行穩(wěn)定，從而可以將其主體進一步收窄并降低高度，進而更好的減小水流阻力和空氣阻力，以獲得最佳航行狀態(tài)。驅(qū)動方式可以是單漿單舵雙槳單舵或雙槳無舵，但其缺點也較為明顯，及在其主體內(nèi)部的由于螺旋槳和主電機的位置將占據(jù)半數(shù)空間，留給控制系統(tǒng)的可用安全空間非常有限，對于控制系統(tǒng)的設(shè)計具有較高要求。五體型五體型的水面無人艇較為少見，如果僅在水面航行，其四個側(cè)體大都可優(yōu)化為兩個側(cè)體，這樣在維持穩(wěn)定的情況下可以減小質(zhì)量，減少阻力。所以五體型船艇多為兩棲無人艇的選擇，適用于四旋翼垂直起降的兩棲無人艇，此結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性、抗沉性、抗干擾性都十分優(yōu)秀。綜上，基于現(xiàn)實考量，綜合各種變量和因素，在優(yōu)先考慮該艇的穩(wěn)定性和耐波型后，最終選擇采用三體型雙槳無舵設(shè)計，并以此為框架調(diào)整控制系統(tǒng)所占空間大小以及各個模塊的布局。驅(qū)動和方向控制系統(tǒng)的選定驅(qū)動控制系統(tǒng)是無人艇設(shè)計的基礎(chǔ)性問題，是實現(xiàn)無人艇應(yīng)用實現(xiàn)的關(guān)鍵。水面無人艇驅(qū)動和控制結(jié)構(gòu)有很多類型，例如：單槳單舵、雙槳無舵、雙槳單舵、雙槳雙舵、矢量泵噴推進等方式。每種驅(qū)動方式都有著其獨特的優(yōu)勢與不足，應(yīng)根據(jù)設(shè)計需求選擇最為合適的推進方式。本設(shè)計的控制系統(tǒng)是以51系列單片機作為主控芯片，由于單片機所能承受的負載電壓有限，所以如果使用常見的單漿單舵驅(qū)動控制，極有可能面臨動力不足而導(dǎo)致無人艇無法正常運行，所以本設(shè)計將采用兩槳驅(qū)動方案，以保證無人艇的正常運行，且有利于無人艇的姿態(tài)控制，相比其它各種類型的推進傳動方式，雙槳反向推進器既具有傳動載荷大、加速快和時間短、航行快和速度高等優(yōu)勢，而且采用雙槳反向推進傳動系統(tǒng)不僅能夠有效率地利用槳中水波的反向激波振動效應(yīng)進而大大提高雙槳推進器的效率，具有很好的能效作用。對于方向控制方式的選擇，大多船艇的首選為舵機控制方向舵的左右偏移，使水流朝方向舵偏移方向偏轉(zhuǎn)，此時水流和船體將形成一定的夾角，進而達到船體轉(zhuǎn)向的要求。然而，對于雙槳驅(qū)動的無人艇來說，如果使用舵機控制，最好的方式是在每哥螺旋槳后都加一個方向舵，轉(zhuǎn)向是兩個舵機同時工作，這樣可形成穩(wěn)定的水流，然而在螺旋槳后加方向舵在船體設(shè)計上不易實現(xiàn)，有諸多未知因素，且不在本專業(yè)的領(lǐng)域之內(nèi)，故暫不考慮。而如果使用雙槳單舵的方式，經(jīng)過資料研究發(fā)現(xiàn)，單舵如果放置于兩槳中間，轉(zhuǎn)向調(diào)正方向舵時將會產(chǎn)生第三股水流，這對于船體穩(wěn)定和船體運行是有影響的，由于設(shè)計到其他領(lǐng)域的知識，在此不做贅述，此方案亦不考慮。至此，通過舵機控制方向的初步構(gòu)想被推翻，本設(shè)計只好選用雙槳無舵的驅(qū)動控制方案，雙槳無舵控制方向的原理是根據(jù)兩螺旋槳的旋轉(zhuǎn)的不同在船體左右兩側(cè)形成兩股速度不同的水流，進而使船體向流速小的地方發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以達到轉(zhuǎn)向的目的。使螺旋槳產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)有以下兩種模式：兩槳同向差速，通過單片機進行PWM調(diào)速，使得兩個螺旋槳產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，進而使其產(chǎn)生的兩激波形成速度差，以達到轉(zhuǎn)向。兩槳反向同速，在需要轉(zhuǎn)向時通過單片機發(fā)出信號，使對應(yīng)方向的螺旋槳反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激波將與正轉(zhuǎn)激波的速度等大反向，此時，在船體兩側(cè)將出現(xiàn)兩股反向的水流，進而使船體向一側(cè)轉(zhuǎn)向。對于以上兩種模式，通過對一些船舶知識的查閱，發(fā)現(xiàn)在水下由于水下阻力遠大于空氣阻力，所以對兩槳正向調(diào)速所形成的水流速度差將很不明顯，這樣轉(zhuǎn)向角將會非常大，船體很不靈活，且不利于后續(xù)避障功能的實現(xiàn)與調(diào)試。反而，如果在水下短時間內(nèi)能在船體兩側(cè)形成兩股反向水流，船體兩側(cè)的水流速差將產(chǎn)生大幅度變化，這樣轉(zhuǎn)向角不會過大，無人艇將會更為靈活。綜上，依據(jù)實際情況，本設(shè)計最終選擇兩槳反向同速調(diào)節(jié)速度的雙槳無舵驅(qū)動控制模式。螺旋槳及方向控制設(shè)計螺旋槳的選取與設(shè)計是無人艇設(shè)計中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水面船艇的驅(qū)動不同于地面行走的小車，船艇螺旋槳的材料、規(guī)格、放置位置都需要根據(jù)實際情況嚴(yán)格決斷，稍有不慎便會影響無人艇的航行姿態(tài)和穩(wěn)定性，由于本設(shè)計選擇雙槳無舵的設(shè)計，所以兩螺旋槳要在現(xiàn)有條件下盡可能的拉開距離，以保證轉(zhuǎn)向時兩股水流的層次分明，快速轉(zhuǎn)向。此外，為保證兩螺旋槳所產(chǎn)生的激波不會相互干擾，將會在兩槳之間設(shè)置一縱向隔板，并延申一定的深度和長度，此舉將提高無人艇航行的穩(wěn)定性。智能避障設(shè)計模塊的選定由于無人艇在水面上航行的興波阻力（摩擦力）比停在地面上的無人汽車小,比空中的無人飛機大，且在水面很容易受到水波的干擾，再加上操控人員自身可能會出現(xiàn)人為失誤，所以加裝避障模塊就顯得十分必要。當(dāng)在無人巡邏艇正確行駛巡航方向的前方一定位置距離以內(nèi)出現(xiàn)其他障礙物時,單片計算機會根據(jù)快速避障指令接收器受到障礙信號的不同,發(fā)出不同避障種類的快速躲避避障指令,當(dāng)兩側(cè)一傳感器同時進行檢測并遇到其他障礙物時,無人艇也將會迅速倒退,當(dāng)某側(cè)另一側(cè)的兩傳感器同時檢測并遇到其他障礙物時，無人艇會向另一個方向轉(zhuǎn)向。對于無人艇而言，避障模塊的關(guān)鍵是避障傳感器類型的選擇，由于無人艇的特殊應(yīng)用環(huán)境，對傳感器的首要要求是穩(wěn)定和易封裝，穩(wěn)定旨在使傳感器能夠在面對水面復(fù)雜波流狀況時可以準(zhǔn)確無誤的工作，易封裝是指傳感器可以便易的密封在一個防水外殼中，以應(yīng)對水面蕩起的水波對船體和傳感器的干擾。現(xiàn)階段適用于單片機系統(tǒng)設(shè)計中避障模塊的傳感器主要有兩種：超聲波傳感器：工作原理主要是向被聲波測量的目標(biāo)電機發(fā)射一個超聲波信號脈沖,計算其聲波往返運行時間,進而判斷間距。該設(shè)計方法被廣泛應(yīng)用于各類不具有安全避障設(shè)施需求的建筑設(shè)計中。優(yōu)點之一是因它價格便宜,使用便捷,且在一定檢測距離內(nèi)它即可及時給出精確的檢測結(jié)果。缺點是其效距離略短，且因其工作原理基于聲波的傳遞，很可能在傳輸過程中受到其它信號的干擾，最重要的一點是，其無法做到完全密封，器件裸露面積太大，極易因水面波浪的潑濺而導(dǎo)致傳感器進水損壞。紅外線傳感器：對紅外發(fā)射環(huán)境系統(tǒng)中的發(fā)射光線及其運動環(huán)境適應(yīng)能力強,其內(nèi)部分別具有一對小型短波紅外線激光短波射頻發(fā)射接收管與一對發(fā)射接收管,發(fā)射接收管外部可向短波發(fā)射管內(nèi)部輸出一定長波光譜值和頻率的小型短波發(fā)射紅外線,當(dāng)檢測方向遇到障礙物時,紅外線通過反射器收回來被送入接收管進行接收,經(jīng)過比較器控制電路優(yōu)化處理之后,綠色信號指示閃光燈會自動亮起,同時數(shù)字信號接口輸出時該接口需要輸出的是數(shù)字信號,可通過控制旋鈕自動調(diào)節(jié)其與檢測器的距離。綜合考慮后，本設(shè)計的避障模塊最終選用紅外避障傳感器，紅外傳感器可以將電路板封裝到防水外殼中，只將用于發(fā)射紅外線的對管露在外面，并將對管四周密封，這樣就可以做的防水防滲透。控制系統(tǒng)的方案選擇無人艇的運動控制性和系統(tǒng)管理是本項目設(shè)計中最重要的一個核心內(nèi)容,控制管理系統(tǒng)主要包含四個系統(tǒng)模塊,運動控制系統(tǒng)模塊、方向自動控制系統(tǒng)模塊、避障自動控制系統(tǒng)模塊和自動遙控控制模塊。每一個模塊都有多種類型，四個模塊也有多種搭配方式可供選擇，具體的選擇會受到多種因素的影響，例如：功能需要，船體結(jié)構(gòu)，試驗場地，技術(shù)難度與工程量等等。目前市面上主流的個人使用的小型無人艇大都是以電調(diào)（電子調(diào)速器，ElectronicSpeedControl，簡稱ESC）為核心，連接無刷或有刷電機、多通道遙控器接收機作為整體的控制系統(tǒng)，隨著多年來電子工業(yè)的發(fā)展，這套系統(tǒng)已十分成熟，其高度集成的模塊化設(shè)計和其輕量化、便攜性、穩(wěn)定性給我在設(shè)計選擇以單片機為的核心的控制系統(tǒng)時提供了一定的參考。在主控單片機的型號選擇上本設(shè)計以最終功能實現(xiàn)為基礎(chǔ)原則，并充分考慮所選定的無人艇艇型的內(nèi)部可用安全空間大小以及內(nèi)外部防水要求，決定將STM32F103C8T6和STC89C51作為最終候選方案，綜合多種考量，本設(shè)計最終確定以STC89C51作為主控芯片的控制系統(tǒng)方案，其原因如下：STM32雖是更為高級、功能更加豐富的單片機，與之對應(yīng)的是其配置更為復(fù)雜，成本和功耗都要更高，對于STM32和C51都可開發(fā)的項目上，STM32的優(yōu)勢不夠明顯。C51已足夠滿足本設(shè)計各項功能需要，且51系列單片機是本科期間最為熟悉、多次使用的單片機型號，已有很多是使用和調(diào)試經(jīng)驗，有利于本次設(shè)計順利進行。(3)最重要的一點是本設(shè)計的無人艇內(nèi)部留給控制系統(tǒng)的空間僅為8cm*8cm*6cm的立方體大小，STM32的開發(fā)板不滿足此空間要求，反而C51可以完美適配這個大小。遙控避障無人艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型制作船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于該艇是在內(nèi)河及湖泊運行的小型無人艇，所以對船體構(gòu)造的耐波性和穩(wěn)定性提出了一定的要求，在船體設(shè)計上盡可能的使其航行速度快、阻力小，基于以上的幾個設(shè)計要求功能需求，選擇采用三體船型結(jié)構(gòu)作為無人艇的主體結(jié)構(gòu)。通常三體船是由一個主體和兩個側(cè)體連接在一起，其基本特征是以一個大長寬比的主船體和兩個較短的側(cè)體為基礎(chǔ)，通過兩根碳纖維桿連接到一起，并在主船體前側(cè)加裝合適大小的用以放置紅外避障模塊的防水外殼。主船體的長細比約為8:1，大于普通窄體單體船，兩個側(cè)體的排水量不超過總排水量，三體船（蝦艇）的這種船型構(gòu)造可以使其在航行時受到的興波阻力減小，兩個側(cè)體與主體之間的距離提供了足夠的穩(wěn)定性，減小無人艇的橫縱向搖擺和垂直震蕩，所以該艇型的耐波性將會非常好。另外，三體船的兩個側(cè)體放置在主船體的兩前側(cè)，且側(cè)體不會加裝電子器件或傳感器，這使得該艇型的安全性得到了保障，當(dāng)避障系統(tǒng)意外失敗，側(cè)壁碰到障礙物時，只會損壞外側(cè)的側(cè)體，且側(cè)體結(jié)構(gòu)簡單，易于復(fù)制，便于更換。重要設(shè)備和模塊全部放置于主船體內(nèi)，失去動力的幾率將會減少，此艇型的抗沉性也非常出色。主船體結(jié)構(gòu)綜合上述無人艇的特征及功能，并參考前人的研究成果和市面上的成熟產(chǎn)品，結(jié)合自身能力和可用材料工具，主船體設(shè)計為以椴木層板為材料的流線型大長寬比的主體。側(cè)體結(jié)構(gòu)對于水面無人艇側(cè)體的設(shè)計也有一定的要求，需滿足三個條件：側(cè)體的長度一般要超過主體設(shè)計水線長的1/2。側(cè)體的總排水量控制在總排水量的1/2左右，側(cè)體通常比主體的水平位置略高，且略前置于主體前端，使其航行時不會沒于水面之下。兩側(cè)體與主體之間的距離要絕對相等，以確保艇體的左右對稱。側(cè)體材質(zhì)與主體相同，前傾角略大于主體，下端同樣采用流線型構(gòu)造。避障模塊結(jié)構(gòu)避障模塊位于主艇體上表面的前端，防水外殼采用透明亞克力盒，前端使用電鉆在兩側(cè)分別開兩組四孔，供紅外傳感器外探，并在傳感器對管根部使用防水膠密封，這樣在亞克力板能就形成了一個密閉防水空間，以保護電路板，防止其浸水損壞。避障模塊如圖所示。動力系統(tǒng)的設(shè)計選配推進電機無人艇推進電機是推進系統(tǒng)的動力來源，是影響無人艇航速及姿態(tài)控制的重要因素。在無人艇規(guī)格尺寸確定后，主機選擇除考慮船體內(nèi)部可用空間的影響外還與螺旋槳推進器的選擇、連軸系的選擇極其傳動效率、水面航行阻力等因素有關(guān)。同時，無人艇所用電機類型還必須與所選主控單片機型號相符，是的控制系統(tǒng)可以正常操控驅(qū)動電機。結(jié)合前文所述的功能需求以及自身能力，最終選擇兩同規(guī)格的直流電機作為此無人艇的主電機。螺旋槳推進器與連軸系螺旋槳推進器的轉(zhuǎn)動效率是影響無人艇性能的重要因素，應(yīng)選擇動能損失最小、轉(zhuǎn)動效率最高的螺旋槳推進器以保證電機輸出的動能使用最大化，同時，結(jié)合主體內(nèi)部空間選擇合適長度的連軸系也至關(guān)重要，在兩葉漿和三葉漿的選擇上考慮到推進效率，最終選擇型三葉正轉(zhuǎn)螺旋槳作為水面推進系統(tǒng)的推進器，連軸系的長度為20cm，該螺旋槳參數(shù)如表所示。方向控制系統(tǒng)在方向控制系統(tǒng)中采用了兩槳反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向方式，在這種模式下，兩槳間隔-cm，中置一木質(zhì)引流板，用于控制水流形態(tài)，避免干擾。在遙控系統(tǒng)發(fā)出左轉(zhuǎn)信號時，單片機控制左側(cè)螺旋槳反轉(zhuǎn)，右側(cè)螺旋槳不變，使得船體左側(cè)產(chǎn)生反向激波，從而在船體左右兩側(cè)形成速度反向的水流，右側(cè)動力大于左側(cè)動力，使得船體向左偏轉(zhuǎn)。同理，右轉(zhuǎn)時的操作與左轉(zhuǎn)相反，在此不再贅述。無人艇控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主控芯片STC89C52功能概述本次的系統(tǒng)總體設(shè)計將以一個STC89C52單片機系統(tǒng)設(shè)計方案作為整個系統(tǒng)的主要設(shè)計技術(shù)核心,用其控制無人艇的航行及轉(zhuǎn)向,以完成所設(shè)計的各種功能和性能指標(biāo)。用這種新型單片機控制技術(shù)用來控制整個無人艇上的飛行控制系統(tǒng)的其主要優(yōu)點之一也就是簡單、方便、快捷。單片機系統(tǒng)設(shè)計人員可以真正做到的是充分發(fā)揮其較為強大的數(shù)字信號處理控制和預(yù)處理系統(tǒng)功能。STC89C52有著功能強大的接口可按鍵定位操作尋址輸入指令,i/o口均可按位尋址,，內(nèi)存為8K，如果按系統(tǒng)功能類來劃分，它由如下部分組成：微處理器：該系列單片式主機中包含有一個8位的雙核微處理器，與目前通用的16位微處理器結(jié)構(gòu)基本相同，同樣只是包括了遠程運算器和遠程控制器兩大組成部分，只是額外增加了一個面向遠程控制的數(shù)據(jù)處理模塊功能，不僅同樣可同時處理大量數(shù)據(jù)，還甚至可以同時進行位置和變量的控制處理。數(shù)據(jù)存儲器：片內(nèi)為128個單位字節(jié)數(shù)據(jù)單位寬度最多一個字節(jié),片外最多一個字節(jié)單位寬度最小時也可外擴至64k一個字節(jié)單位最多字節(jié),用來實時存儲緩沖數(shù)據(jù)存儲一個企業(yè)應(yīng)用程序在整個系統(tǒng)正常繼續(xù)運行期間的所有相關(guān)數(shù)據(jù)及其工作情況例如系統(tǒng)狀態(tài)變量、運算的數(shù)據(jù)中間件和數(shù)據(jù)處理結(jié)果、數(shù)據(jù)庫的一個實時緩沖暫存和數(shù)據(jù)繼續(xù)正常運行以及數(shù)據(jù)庫的緩沖、標(biāo)志存儲位置的相關(guān)信息等,所以又被當(dāng)時人們廣泛稱為一個應(yīng)用程序系統(tǒng)中的一個數(shù)據(jù)緩沖存儲器。程序存儲器：由于片內(nèi)使用只讀讀寫受制于操作系統(tǒng)的軟硬件低和集成度高的使用條件有所限制,片內(nèi)最多片外最少使用只寫書讀閱讀的閱讀讀書寫寫入閱閱存儲器的而一般片內(nèi)只寫閱讀讀讀書寫寫入容量相對較小,如果片內(nèi)的片外最多使用只寫書讀閱讀的閱讀讀書寫寫入閱閱存儲器的片內(nèi)只寫閱讀讀讀書寫寫入容量不夠,則就很有可能用戶必需用它們閱讀出來同時進行擴展片外的片內(nèi)只讀書寫寫入閱讀器的讀入和片外寫入的寫入閱讀存儲器,片外最多片內(nèi)使用只讀讀寫容量最小可外擴至64k音字節(jié)的每個只讀字節(jié)。中斷系統(tǒng)：具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。定時器/計數(shù)器：片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。串行口：一個系統(tǒng)采用了完全雙工的四位數(shù)字圖形串行口,具有四種不同的在工作程序執(zhí)行時的方式?？梢愿阌诳蛻粲脕硗瑫r直接進行多個串行口的數(shù)據(jù)通訊,擴展多個新的并行數(shù)據(jù)通訊i/o口,甚至與另外多個新的并行通訊單片機接口相連也同樣可同時構(gòu)成多個并行微機處理系統(tǒng),從而不僅可以有效使一個并行單片機的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能更強且實際上的應(yīng)用更廣。特殊功能寄存器：共有21個，用于用戶對片內(nèi)的個性化功能的主要部件信號進行實時管理、控制、監(jiān)視。實際上是它是一些狀態(tài)控制函數(shù)寄存器和一些狀態(tài)控制寄存器，是一個函數(shù)具有特殊控制功能的函數(shù)RAM區(qū)。它們都主要是通過片內(nèi)單一接口總線芯片連接而來組成，其基本總線結(jié)構(gòu)依舊主要是采用cpu總線加上外圍接口芯片的一種傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)設(shè)計模式。但對各種不同功能控制部件的集中控制則還是需要采用特殊基于功能部件寄存器的集中控制器的方式。STC89C52的引腳功能分析VCC：電源供電，這次設(shè)計使用5V直流電源；GND：接地引腳；P0對于讀寫操作時，可以鎖定外部存儲器地址，讀取和寫入數(shù)據(jù)信息。如果用作輸出時，需要外加上拉電阻。P0、P1可作為輸出輸出端口。P3除了作為數(shù)據(jù)口外，每個引腳還有其它功能，下面是相關(guān)功能的介紹：P3.0串行通信輸入口；P3.1串行通信輸出口；P3.2外部中斷0輸入口；P3.3外部中斷1輸入口；P3.4定時器0外部計數(shù)輸入口；P3.5定時器1外部計數(shù)輸入口；P3.6外部存儲器寫信號；P3.7外部存儲器讀信號；RST：復(fù)位引腳。振蕩器復(fù)位時，需要維持兩個機器周期的高電平時間；ALE/PROG：ALE輸出脈沖信號，它可以實現(xiàn)定時·。當(dāng)對存儲器進行訪問時，輸出電平將會被鎖存；/PSEN：存儲程序存儲器的信號引腳，當(dāng)外部程序存儲器被存取時，一個周期只有兩次/PSEN，如果訪問時，將不會再有有效的/PSEN；EA/VPP：程序存儲器選通控制引腳。當(dāng)EA=0時，只允許讀取單片機的外部程序存儲器內(nèi)容；當(dāng)EA=1時，可以讀取單片機內(nèi)部的存儲器內(nèi)容；XTAL1：時鐘信號接入引腳；XTAL2：反向振蕩器的輸出引腳。STC89C52RC引腳圖如下：圖3.1.2STC89C52RC引腳圖最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計以STC89C52為主要基礎(chǔ)設(shè)計構(gòu)成的最小自動控制電路系統(tǒng)主要包含控制電源、時鐘控制電路、復(fù)位控制電路。將一個單片硅電機控制端口上連接上一個時鐘控制電路輸出信號和一個復(fù)位時鐘電路輸出信號進行連接,如圖所示。1、時鐘電路STC89C52高頻頻率時鐘雖然帶有內(nèi)部振蕩電路,但要直接形成高頻時鐘振蕩器的時鐘輸出信號,則必須采用外接電路形成一個內(nèi)部附加振蕩電路。STC89C52單片機的時鐘控制管理系統(tǒng)采用時鐘控制信號的自動產(chǎn)生控制方法時鐘控制器有內(nèi)部控制操作外部控制操作兩種。2、復(fù)位電路STC89C52的自動控制復(fù)位信號控制電路是由外部的自動控制復(fù)位信號控制電路通過輸出信號來自動復(fù)位實現(xiàn)的。復(fù)位引腳控制電路rsrst通過斯密特驅(qū)動觸發(fā)器的作,抑制電路輸出輸入噪聲,在每個外部復(fù)位引腳機器正常工作一個周期的規(guī)定時間,斯密特驅(qū)動觸發(fā)器的每個電路輸出輸入噪聲電平由一個外部復(fù)位引腳控制電路重復(fù)采樣一次,從而可以得到內(nèi)部驅(qū)動控制器的復(fù)位引腳電路正常操作所要時間和需要的輸出噪聲電平信號。電源模塊電源模塊的選取電源模塊為操作系統(tǒng)其他各個電源模塊用戶提供所可能需要的備用電源。在電路設(shè)計中，除了必須要充分考慮應(yīng)用到有源電壓輸出范圍和有源電流輸出容量等這些基本參數(shù)之外，還要在提高電源信號轉(zhuǎn)換電路效率、降低電源噪聲、防止電磁干擾和保證電路簡單等各個方面都要進行不斷優(yōu)化。在無人艇的運行過程中，水面風(fēng)浪變化復(fù)雜，如果加速或制動劇烈，導(dǎo)致電池負載變化劇烈，輸出電壓有可能因此而劇烈變化，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此，可靠的集成電源解決方案設(shè)計是整個電源硬件集成電路穩(wěn)定可靠正常運行的重要基礎(chǔ)。在本設(shè)計中所采用的主要是高頻穩(wěn)壓控制芯片進行實現(xiàn)。全部采用硬件集成電路的額定電源電流采用7.2v、1500mAh鎳氫充電電池提供。電源電路電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊的選取設(shè)計中,使用ST公司的一種方式l298n直流電壓驅(qū)動電路模塊系列芯片作為直流電壓驅(qū)動回路電機控制電壓直流驅(qū)動電路控制技術(shù)模塊的主要電壓驅(qū)動技術(shù)芯片,l298n驅(qū)動芯片系列是ST公司公司設(shè)計生產(chǎn)的一種分別具有高變頻交流電壓驅(qū)動力和超低電壓、高變頻交流電壓驅(qū)動力和超大電流率的步進雙全新式交流橋式高速低電壓變頻交流電源驅(qū)動器,該芯片系列驅(qū)動芯片的主要驅(qū)動技術(shù)設(shè)計特點及其功能分別是:交流輸入輸出工作電壓高,最高電壓輸出輸入工作電壓大約可達46v,峰值電流輸出輸入工作穩(wěn)壓電流大,瞬間輸出工作電壓峰值電流輸出工作電流大約甚至可以高達3a,持續(xù)時間輸出工作電流峰值輸出電流大約為2a。同時用戶采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的的ttttl型的獨立邏輯功能回路電平可以進行加一信號輸入回路電平控制;同時用戶具有兩個獨立可以使用一個功能者的回路電平控制端,在完全可以不受控制電源中的加一輸入進出信號輸入功能回路控制信號輸出電流波動影響的任何使用情況下其它即可同時允許或完全可以禁止兩個外接控制器件正常運行工作;同時有一個內(nèi)部獨立邏輯功能回路控制電源作為加一進出輸入回路控制端,使內(nèi)部邏輯電路部分在高或中的低電壓下正常運行工作;同時用戶可以通過兩個外接控制器件自動檢測輸入電阻,將根據(jù)電壓波動變化的功能測量回路信號進行反饋即可提供一個給獨立使用功能者的控制電路。此外該驅(qū)動模塊組在系統(tǒng)中還可以同時直接驅(qū)動兩路直流電機驅(qū)動器的電機,在本應(yīng)用系統(tǒng)中可以使用其中一路直流作為系統(tǒng)主驅(qū)動電機的直流驅(qū)動。L298N電路圖模塊接口說明：VCC外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機和3.3v單片機相連）GND外接GNDOUT小板數(shù)字量輸出接口（0和1L298N原理圖藍牙控制模塊藍牙模塊概述該技術(shù)模塊主要被應(yīng)用于各種短距離的視頻數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用領(lǐng)域?？梢苑奖愕暮突趐c計算機的兩個藍牙通信設(shè)備直接相連,也就是可以兩個藍牙模塊之間的藍牙數(shù)據(jù)接口互通。避免繁瑣的串口線纜交換連接,能直接有效替代傳統(tǒng)串口線。在一臺裝有手機藍牙芯片app的安卓藍牙手機通過將藍牙控制器的命令數(shù)據(jù)發(fā)送給手機藍牙控制模塊,把藍牙手機信號變?yōu)樗{牙遙控器,藍牙藍牙模塊把手機信號數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送給藍牙單片機模塊進行信號處理。單片機根據(jù)汽車傳遞反饋過來的控制指令分別運行不同的控制子程序,控制汽車電機進行驅(qū)動,實現(xiàn)對一輛小車進行前進、后退、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、停止的實時運動控制。外形尺寸如圖所示：藍牙APP利用Android藍牙API來實現(xiàn)具體的藍牙功能，設(shè)備連接之后，利用BluetoothSocket對象完成數(shù)據(jù)的通信。單片機的藍牙模塊接收到上位機發(fā)來的指令后，調(diào)用單片機程序，根據(jù)指令控制小車。藍牙APP界面如圖所示。藍牙模塊電路圖：特點：藍牙V3.0+EDR藍牙Class2內(nèi)置PCB射頻天線支持UART接口3.3V電源其他配置狀態(tài)指示LED：P12用于指示藍牙模塊所處狀態(tài)，LED燈閃爍方式與藍牙模塊狀態(tài)對應(yīng)見下表：模式LED顯示模塊狀態(tài)從模式均勻慢速閃爍(800ms-on，800ms-off)等待配對長亮建立連接主機中斷指示：P05用于指示主機中斷與否，連接狀態(tài)為高電平，其他狀態(tài)低電平。無人艇控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計遙控避障無人艇的系統(tǒng)軟件設(shè)計由這以下幾部分組成：主電機的控制算法設(shè)計、方向控制系統(tǒng)軟件設(shè)計、藍牙遙控模塊軟件設(shè)計、紅外避障模塊軟件設(shè)計。程序運行是從系統(tǒng)的初始化開始的，接著是接收藍牙APP發(fā)送的控制信號，無人艇根據(jù)信號做出相應(yīng)的運動，同時，運行紅外避障模塊采集程序和相應(yīng)的避障程序，得到當(dāng)前路徑信息；作為閉環(huán)控制的反饋環(huán)節(jié)。紅外避障軟件設(shè)計綜合當(dāng)前狀態(tài)值做出控制策略，控制電機以合適的方式運行。避障模塊控制的優(yōu)先級高于藍牙遙控的優(yōu)先級。程序流程程序流程圖如下所示：編程語言的選擇單片機軟件設(shè)計使用C語言作為編程開發(fā)軟件，采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，設(shè)計了按鍵模塊程序、RFID模塊程序、日歷時鐘模塊程序、GPRS模塊程序、顯示存儲模塊程序等，并編寫系統(tǒng)主程序，將五個程序模塊組合在一起，實現(xiàn)單片機控制系統(tǒng)的整體功能。51單片機支持三種高級語言，即PL/M，C和BASIC。C語言是一種通用的程序設(shè)計語言，其代碼率高，數(shù)據(jù)類型及運算符豐富，并具有良好的程序結(jié)構(gòu)，適用于各種應(yīng)用的程序設(shè)計，是使用較廣的單片機編程語言。單片機的C語言采用C51編譯器（簡稱C51）。有C51產(chǎn)生的目標(biāo)代碼短，運行速度高，所需存儲空間小，符合C語言的ANSI標(biāo)準(zhǔn)，程序開發(fā)環(huán)境的介紹這次設(shè)計所用的開發(fā)環(huán)境是KEIL5，這是一款51兼容C語言的開發(fā)軟件。KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。圖4.3Keil軟件界面圖調(diào)試與試驗控制系統(tǒng)調(diào)試由于無人艇在水面上航行時會受到不同程度的顛簸，為確保艇內(nèi)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免因控制系統(tǒng)硬件斷觸或電路短路導(dǎo)致無人艇在水面意外停機，本設(shè)計控制系統(tǒng)硬件模塊采用PCB板取代需手動焊接的覆銅板，并在PCB板上預(yù)留軟件燒錄接口，方便程序的修改及調(diào)試。如圖為程序燒錄測試結(jié)果。程序燒錄成功后開始進行功能測試，首先進行藍牙連接測試，使用安卓手機安裝該APP后進行連接，輸入配對密碼1234，提示連接成功。將驅(qū)動電機接入單片機上對應(yīng)引腳，注意正負之分。點擊APP上控制前進功能的對應(yīng)區(qū)域，觀察電機是否運轉(zhuǎn)正常，判斷兩電機的轉(zhuǎn)動方向是否一致都為順時針，觀察轉(zhuǎn)動速度是否相同。然后點擊左轉(zhuǎn)向控制區(qū)域，觀察左螺旋槳是否發(fā)生反轉(zhuǎn)，右螺旋槳有無受到明顯影響。右轉(zhuǎn)測試與左轉(zhuǎn)相同。若兩槳轉(zhuǎn)動方向不一致，首先檢查線路是否接反，若線路連接無誤，則檢查程序是否出現(xiàn)問題。直至調(diào)試成功。當(dāng)運動控制功能的實現(xiàn)無誤后，進行避障模塊的調(diào)試，固定好兩避障模塊的位置后，在無人艇前側(cè)適當(dāng)距離放置一豎直放置，平整的障礙物，以此為基準(zhǔn)調(diào)整避障檢測距離，檢測距離通過模塊上的電位器進行調(diào)節(jié)，順時針調(diào)電位器，檢測距離增加；逆時針調(diào)電位器，檢測距離減少。要確保兩個模塊的檢測距離一致。在完成以上功能的調(diào)試后再次檢查各個器件的工作狀態(tài)，最大程度上保證本設(shè)計控制系統(tǒng)硬件部分不出問題。檢查完成后，開始對內(nèi)部線路的排布進行梳理，既可以優(yōu)化使用空間方便后續(xù)的檢查與調(diào)試，也顯得十分美觀。動力系統(tǒng)調(diào)試與艇體封裝動力系統(tǒng)的調(diào)試也是完成本設(shè)計的關(guān)鍵一步，驅(qū)動電機的放置位置，螺旋槳連軸系與艇體形成的角度大小，都會影響電機的的輸出效率，進而影響無人艇行駛的速度和穩(wěn)定性。本設(shè)計采用中置后驅(qū)的驅(qū)動方案，驅(qū)動電機盡可能的靠近艇主體的頂部，這樣既有利于散熱，也最大限度的避免艇體意外進水和滲水對電機的致命影響。此外，對兩槳進行不加電的空轉(zhuǎn)測試，確保其轉(zhuǎn)動無異常，空轉(zhuǎn)效率一致。完成調(diào)試后在兩槳同位置滴入等量的潤滑油，進一步提高轉(zhuǎn)動效率。完成動力系統(tǒng)的調(diào)試后，進入到本設(shè)計的最后一步：艇體的封裝與密閉。這一步的成敗好壞將直接決定該無人艇能否順利下水航行。將控制系統(tǒng)模塊做單獨防水后置于艇主體中部，此時根據(jù)整體的重量分配，將電池倉防水后置于主體前端，在兩模塊之間加裝隔板，用于防水和結(jié)構(gòu)支撐。兩驅(qū)動電機則放固定在電機支架上置于中后方。內(nèi)部結(jié)構(gòu)排布完成后，根據(jù)實際大小在電池倉和控制倉上方開兩個合適大小的天窗，方便電池的取放與后續(xù)控制系統(tǒng)的調(diào)試與修改。最后將兩天窗閉合，用防水纖維膠帶在其四周密封。對船體所有連接處用防水膠做二次密封，再用防水漆噴涂艇身，確保萬無一失。下水航行測試本次遙控避障無人艇的航行試驗是在河南工業(yè)大學(xué)內(nèi)的蓮湖中進行的。測試場地開闊，水深合適，通過實際試驗驗證遙控避障無人艇的遙控控制功能和避障制動功能。試驗時實時記錄遙控操作和無人艇運動狀態(tài)。通過試驗得出的無人艇運動狀態(tài)結(jié)果，可視情況更換轉(zhuǎn)速更快的驅(qū)動電機，以保證無人艇的有效運動控制。此外，由于測試環(huán)境是室外水域，受風(fēng)浪影響較大，在試驗前應(yīng)記錄無人艇靜止?fàn)顟B(tài)，防止風(fēng)浪影響對實驗結(jié)果造成誤差。結(jié)論遙控避障無人艇的設(shè)計與實現(xiàn)是一個較為新鮮的課題，如果說我們十分熟悉的遙控避障智能小車設(shè)計是檢驗單片機的學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)應(yīng)用的一個絕佳的課題，那么本設(shè)計則在囊括對單片機應(yīng)用的基本知識的考核的同時，對解決系統(tǒng)性綜合性工程問題有著較高的要求。本設(shè)計的出發(fā)點是基于單片機實現(xiàn)一個能最終下水航行的無人艇，因此，所有硬件、軟件、材料都在以所設(shè)計功能的最終實現(xiàn)與應(yīng)用為目的。 從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，本設(shè)計的第二章系統(tǒng)性的論述了多種可供選擇的無人艇艇型結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)適配艇型選擇的總體方案的優(yōu)劣勢與最終選擇。這里將本設(shè)計的整體架構(gòu)確定完成，為后續(xù)的細節(jié)設(shè)計打下了基礎(chǔ)。第三章則進入具體結(jié)構(gòu)和模型的設(shè)計與制作。本章重點在于各個具體結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計與選配，并且根據(jù)實際情況對現(xiàn)有較為成熟的無人艇設(shè)計方案做出了因地制宜的調(diào)整。至此，本設(shè)計無人艇的結(jié)構(gòu)與動力系統(tǒng)設(shè)計完成。 從第四章開始，進入到本設(shè)計的關(guān)鍵：控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。這是此